化工机械第五章压力容器全解
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<1>反应压力容器：容器内介质有物理或化学反 应，使介质分离为多种产品或 几种物质合成为某一种物质。 例如：原油分离成为汽油、煤油、柴油、石蜡油、 沥青、焦炭等。 又如：将水、煤气、氨气合成为合成氨。 <2>换热压力容器：容器内介质进行热量交换达到 介质的加热或冷却。
第五章
压力容器
<3>分离压力容器：将介质在混合状态下进行分离。
PD 2
（5-2）
从计算公式可知，薄壁圆筒承受内压时，环向应力是 轴向应力的两倍。因此在圆筒上如果要开椭圆孔时，应使 椭圆孔的短轴平行于筒体的轴线，以减小纵向截面被削弱 的程度。
第五章
压力容器
5.2.2
受气压作用的球形壳体
第五章
压力容器
<2>第二类压力容器： 1）中压容器。 2）低压容器、反应器、介质毒性为极度或中度。 3）低压管壳式余热锅铲。 <3>第一类压力容器： 低压容器（除以上规定的低压容器）
压力的区分：
超高压：P > 100 MPa 高压： 100 > P ≥ 10 MPa
中压： 10 > P ≥ 1.6 MPa 低压： 1.6 > P ≥ 0.1 MPa 常压： P < 0.1 MPa
第五章
压力容器
第五章
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 概述
压力容器
内压薄壁容器的应力分析 内压薄壁容器的设计计算 外压容器 储存设备
5.6
简单容器设计举例
第五章
压力容器
5.1 概述
5.1.1 压力容器总体结构 压力容器:凡是含有压力介质的密闭容器都被称作压力容 器。化工生产所用的各种化工设备外部壳体的总 称。 常用结构:圆柱壳、球壳、椭球壳、锥形壳、组合 壳等，多为回转壳体。 5.1.2 压力容器分类 1.按形状分类
4
PD 4
（5-1）
其中：P——内压，MPa D——筒体平均直径，即中径，mm δ——筒体壁厚，mm σψ——筒体径向应力，MPa。
第五章
压力容器Байду номын сангаас
<2>环向薄膜应力σθ
假想将圆筒沿轴线对称剖开，取下半部分 进行分析。可知，作用在下半部分壳体上的y轴 方向的合外力为： PDL
作用在下半部分壳体上y轴方向的合内力为：2 L 它们沿y轴方向必然大小相等，方向相反，故有：
第五章
压力容器
3.按结构材料分类
<1>金属容器：广泛应用低碳钢和低合金钢制造， 对于腐蚀严重的介质或产品纯度要 求较高的场合，使用不锈钢，不锈 复合钢板或铝合金等制造。
<2>非金属容器：常用的材料有硬聚氢乙烯，玻璃 钢，化工陶瓷等。或在钢制容器 内加非金属衬里或涂层。
第五章
压力容器
4.按使用场合分类
体称为回转壳体。
第五章
压力容器
回转薄壁壳体：圆筒形、球形、椭球形、圆 锥形薄壁壳体。在内压作用下，壳壁将产生两个 方向的拉伸压力：
σφ K1 K2 σθ σφ σθ
第五章
压力容器
<1>环向薄膜应力
由于内压作用使壳壁的环向受到拉伸，均匀 向外膨胀，在圆周的切线方向产生拉应力，使壳 壁的纵向截面产生环向拉伸应力，称为环向薄膜 应力，又称为周向应力，用σθ表示。
<1>.方形或矩形容器
<2>.球形容器 —————承压能力好
第五章
压力容器
塔 设 备
第五章
压力容器
球罐
第五章
压力容器
<3>.圆筒形容器—————制作方便、安装内件 容易、承压能力好、 广泛使用。
2.按承压性质分类 可分为内压容器与外压容器两类 内压容器：容器内部介质压力大于外部压力。 外压容器：容器内部介质压力小于外部压力。
<4>储存压力容器：用于装载各种产品或原料的容 器。
5.按安全监察规程分类
一般分为三类进行管理和监督检查。
第五章
压力容器 <1>第三类压力容器： 1）高压容器、超高压容器。 2）中压，介质为剧毒，容积很大的容器。 3）低压，介质为极毒，容积很大的容器。 4）高压、中压 管壳式余热锅铲。 5）使用材料强度级别较高的压力容器。 σo≥540 MPa 6）移动式压力容器、各种罐车、集装箱等。 7）球形储罐。（V ≥ 50 m3） 8）低温液体储存容器。（V > 5 m3）
<2>径向薄膜应力 由于内压作用使壳壁沿径向也受到拉伸，产 生径向拉应力，称为径向薄膜应力，用σψ表示。
第五章
压力容器
5.2.1圆筒形壳体上的薄膜应力
如图5-2，为一承受气压P作用的圆筒形容器， 壳壁上任一点K将在两个方向上产生拉伸应力：
第五章
压力容器 <1>径向薄膜应力σψ 用一个垂直圆筒轴线的横截面，将筒体分 为两部分，保留左边部分。由平衡条件，作用 在筒体上的轴向外力为： D 2 P 作用在截面上的轴向内为：D ，沿轴 向两力相等，故可以得到：
第五章
压力容器
容器及设备不仅是石油化工生产中的重要生产工具， 在航空、航海、原子能、冶金、机械制造、精细化工、 轻工、交通和农副业产品加工待业也有大量的应用。
容器的结构： 如图示，容器一般可分解为： 这些都是通用标准件。
筒体（筒身） 封头（端盖）
法兰 人孔 手孔
支座 管口等
第五章
压力容器
5.1.3 容器机械设计的基本要求
压力容器
5.2内压薄壁容器的应力分析
1. 薄壁容器（按容器D0与内径Di的比值K的不同分） 厚壁容器： K
D0 Di 2 n n 1 2 1.2 Di Di Di
薄壁容器：K≤1.2 2. 回转壳体 母线绕同平面内的轴线旋 转一周后形成的曲面称回转曲
面，以回转曲面为中间面的壳
第五章
压力容器
<4>耐久性——在介质腐蚀下可以长期使用，一般使 用年限在15年以上。 <5>气密性——具有良好的密封性能，防止介质泄露。 <6>其他———制造性能、操作性能、维修运输性能、 经济性等。
本书仅限于设计压力P < 10 MPa，设计温度高 于-20°C的中、低压容器的机械设计。
第五章
容器的体积、直径、高度、传热面积、管子 数量、大小、位臵尺寸等属于工艺尺寸，由工艺 计算和生产要求确定。
在工艺尺寸确定之后，为了满足安全和使用 要求，还要确定强度尺寸，零部件在机械设计时， 应满足以下要求：
<1>强度———有足够的抵抗外力破坏的能力。 <2>刚度———有足够的抵抗外力变形的能力，以防 止变形过大。 <3>稳定性——有保持自身形状的能力，以防压瘪或 皱折。
第五章
压力容器
<3>分离压力容器：将介质在混合状态下进行分离。
PD 2
（5-2）
从计算公式可知，薄壁圆筒承受内压时，环向应力是 轴向应力的两倍。因此在圆筒上如果要开椭圆孔时，应使 椭圆孔的短轴平行于筒体的轴线，以减小纵向截面被削弱 的程度。
第五章
压力容器
5.2.2
受气压作用的球形壳体
第五章
压力容器
<2>第二类压力容器： 1）中压容器。 2）低压容器、反应器、介质毒性为极度或中度。 3）低压管壳式余热锅铲。 <3>第一类压力容器： 低压容器（除以上规定的低压容器）
压力的区分：
超高压：P > 100 MPa 高压： 100 > P ≥ 10 MPa
中压： 10 > P ≥ 1.6 MPa 低压： 1.6 > P ≥ 0.1 MPa 常压： P < 0.1 MPa
第五章
压力容器
第五章
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 概述
压力容器
内压薄壁容器的应力分析 内压薄壁容器的设计计算 外压容器 储存设备
5.6
简单容器设计举例
第五章
压力容器
5.1 概述
5.1.1 压力容器总体结构 压力容器:凡是含有压力介质的密闭容器都被称作压力容 器。化工生产所用的各种化工设备外部壳体的总 称。 常用结构:圆柱壳、球壳、椭球壳、锥形壳、组合 壳等，多为回转壳体。 5.1.2 压力容器分类 1.按形状分类
4
PD 4
（5-1）
其中：P——内压，MPa D——筒体平均直径，即中径，mm δ——筒体壁厚，mm σψ——筒体径向应力，MPa。
第五章
压力容器Байду номын сангаас
<2>环向薄膜应力σθ
假想将圆筒沿轴线对称剖开，取下半部分 进行分析。可知，作用在下半部分壳体上的y轴 方向的合外力为： PDL
作用在下半部分壳体上y轴方向的合内力为：2 L 它们沿y轴方向必然大小相等，方向相反，故有：
第五章
压力容器
3.按结构材料分类
<1>金属容器：广泛应用低碳钢和低合金钢制造， 对于腐蚀严重的介质或产品纯度要 求较高的场合，使用不锈钢，不锈 复合钢板或铝合金等制造。
<2>非金属容器：常用的材料有硬聚氢乙烯，玻璃 钢，化工陶瓷等。或在钢制容器 内加非金属衬里或涂层。
第五章
压力容器
4.按使用场合分类
体称为回转壳体。
第五章
压力容器
回转薄壁壳体：圆筒形、球形、椭球形、圆 锥形薄壁壳体。在内压作用下，壳壁将产生两个 方向的拉伸压力：
σφ K1 K2 σθ σφ σθ
第五章
压力容器
<1>环向薄膜应力
由于内压作用使壳壁的环向受到拉伸，均匀 向外膨胀，在圆周的切线方向产生拉应力，使壳 壁的纵向截面产生环向拉伸应力，称为环向薄膜 应力，又称为周向应力，用σθ表示。
<1>.方形或矩形容器
<2>.球形容器 —————承压能力好
第五章
压力容器
塔 设 备
第五章
压力容器
球罐
第五章
压力容器
<3>.圆筒形容器—————制作方便、安装内件 容易、承压能力好、 广泛使用。
2.按承压性质分类 可分为内压容器与外压容器两类 内压容器：容器内部介质压力大于外部压力。 外压容器：容器内部介质压力小于外部压力。
<4>储存压力容器：用于装载各种产品或原料的容 器。
5.按安全监察规程分类
一般分为三类进行管理和监督检查。
第五章
压力容器 <1>第三类压力容器： 1）高压容器、超高压容器。 2）中压，介质为剧毒，容积很大的容器。 3）低压，介质为极毒，容积很大的容器。 4）高压、中压 管壳式余热锅铲。 5）使用材料强度级别较高的压力容器。 σo≥540 MPa 6）移动式压力容器、各种罐车、集装箱等。 7）球形储罐。（V ≥ 50 m3） 8）低温液体储存容器。（V > 5 m3）
<2>径向薄膜应力 由于内压作用使壳壁沿径向也受到拉伸，产 生径向拉应力，称为径向薄膜应力，用σψ表示。
第五章
压力容器
5.2.1圆筒形壳体上的薄膜应力
如图5-2，为一承受气压P作用的圆筒形容器， 壳壁上任一点K将在两个方向上产生拉伸应力：
第五章
压力容器 <1>径向薄膜应力σψ 用一个垂直圆筒轴线的横截面，将筒体分 为两部分，保留左边部分。由平衡条件，作用 在筒体上的轴向外力为： D 2 P 作用在截面上的轴向内为：D ，沿轴 向两力相等，故可以得到：
第五章
压力容器
容器及设备不仅是石油化工生产中的重要生产工具， 在航空、航海、原子能、冶金、机械制造、精细化工、 轻工、交通和农副业产品加工待业也有大量的应用。
容器的结构： 如图示，容器一般可分解为： 这些都是通用标准件。
筒体（筒身） 封头（端盖）
法兰 人孔 手孔
支座 管口等
第五章
压力容器
5.1.3 容器机械设计的基本要求
压力容器
5.2内压薄壁容器的应力分析
1. 薄壁容器（按容器D0与内径Di的比值K的不同分） 厚壁容器： K
D0 Di 2 n n 1 2 1.2 Di Di Di
薄壁容器：K≤1.2 2. 回转壳体 母线绕同平面内的轴线旋 转一周后形成的曲面称回转曲
面，以回转曲面为中间面的壳
第五章
压力容器
<4>耐久性——在介质腐蚀下可以长期使用，一般使 用年限在15年以上。 <5>气密性——具有良好的密封性能，防止介质泄露。 <6>其他———制造性能、操作性能、维修运输性能、 经济性等。
本书仅限于设计压力P < 10 MPa，设计温度高 于-20°C的中、低压容器的机械设计。
第五章
容器的体积、直径、高度、传热面积、管子 数量、大小、位臵尺寸等属于工艺尺寸，由工艺 计算和生产要求确定。
在工艺尺寸确定之后，为了满足安全和使用 要求，还要确定强度尺寸，零部件在机械设计时， 应满足以下要求：
<1>强度———有足够的抵抗外力破坏的能力。 <2>刚度———有足够的抵抗外力变形的能力，以防 止变形过大。 <3>稳定性——有保持自身形状的能力，以防压瘪或 皱折。